EDA技術(shù)與FPGA技術(shù)設(shè)計應(yīng)用

　　設(shè)計綜合就是依據(jù)邏輯設(shè)計描述和約束條件，利用開發(fā)工具進(jìn)行優(yōu)化處理，將HDL文件轉(zhuǎn)變?yōu)橛布娐穼?shí)現(xiàn)方案，其實(shí)質(zhì)就是優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)的過程;

　　設(shè)計約束主要包括設(shè)計規(guī)則約束、時間約束、面積約束三種，通常時間約束的優(yōu)先級高于面積約束;

　　設(shè)計實(shí)現(xiàn)對于FPGA分為編譯規(guī)劃、布局布線(P AR，Place AndRoute)、程序比特流文件產(chǎn)生;對于CPLD則是編譯、配置、比特流文件產(chǎn)生;

　　設(shè)計仿真分為功能仿真和時序時延仿真。功能仿真在設(shè)計輸入之后、綜合之前進(jìn)行，只進(jìn)行功能驗(yàn)證，又稱為前仿真。時序時延仿真在綜合和布局布線之后進(jìn)行，能夠得到目標(biāo)器件的詳細(xì)時序時延信息，又稱為后仿真;

　　器件編程是指在功能仿真與時序時延仿真正確的前提下，將綜合后形成的位流編程下載到具體的FPGA/CPLD芯片中，又稱芯片配置。FPGA/CPLD編程下載通常可使用JTAG編程器、PROM文件格式器和硬件調(diào)試器三種方式，其中JTAG(JointTest Action Group，聯(lián)合測試行動組)是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1149.1邊界掃描測試的訪問接口，用作編程功能可省去專用的編程接口，減少系統(tǒng)引出線，有利于各可編程邏輯器件編程接口的統(tǒng)一，因此應(yīng)用廣泛。

　　4.FPGA設(shè)計優(yōu)化及方案改進(jìn)

　　在FPGA設(shè)計中，必須首先明確HDL源代碼編寫非常重要;不同綜合工具包含的綜合子集不同致使有些HDL語句在某些綜合工具中不能綜合;同一邏輯功能可用不同HDL語句進(jìn)行描述，但占用資源卻可能差別很大。同時應(yīng)當(dāng)深刻理解并發(fā)性是硬件描述語言與普通高級語言的根本區(qū)別，因而設(shè)計硬件電路不能受傳統(tǒng)順序執(zhí)行思維的束縛。

　　此外，我們應(yīng)當(dāng)清楚速度優(yōu)化與面積優(yōu)化在FPGA設(shè)計中占有重要地位。對于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計而言，速度常常是第一要求，但FPGA結(jié)構(gòu)特性、綜合工具性能、系統(tǒng)電路構(gòu)成、PCB制版情況及HDL代碼表述都會對工作速度產(chǎn)生重要影響。我們通過在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用設(shè)計、寄存器配平、關(guān)鍵路徑法可以進(jìn)行速度優(yōu)化。

　　(1)流水線設(shè)計

　　流水線(Pipelining)技術(shù)在速度優(yōu)化中相當(dāng)流行，它能顯著提高系統(tǒng)設(shè)計的運(yùn)行速度上限，在現(xiàn)代微、數(shù)字信號處理器、MCU、高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中都離不開流水線技術(shù)。圖4與圖5是流水線設(shè)計的典型圖示，其中圖4未使用流水線設(shè)計，圖5采用了2級流水線設(shè)計，在設(shè)計中將延時較大的組合邏輯塊切割成兩塊延時大致相等的組合邏輯塊，并在這兩個邏輯塊中插入了觸發(fā)器，即滿足以下關(guān)系式：Ta=T1+T2，T1≈T2。通過分析可知，圖4中Fmax≈1/Ta;圖5中流水線第1級最高工作頻率Fmax1≈1/T1，流水線第2級最高工作頻率Fmax2≈1/T2≈1/T1，總設(shè)計最高頻率為Fmax≈Fmax1≈Fmax2≈1/T1，因此圖5設(shè)計速度較圖4提升了近一倍。

　　(2)寄存器配平(Register Balancing)

　　寄存器配平是通過配平寄存器之間的組合延時邏輯塊來實(shí)現(xiàn)速度優(yōu)化，兩個組合邏輯塊延時差別過大，導(dǎo)致設(shè)計總體工作頻率Fmax取決于T1，即最大的延時模塊，從而使設(shè)計整體性能受限。通過對圖7設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，將延時較大的組合邏輯1的部分邏輯轉(zhuǎn)移到組合邏輯2中，成為圖8結(jié)構(gòu)，以減小延時T1，使t1≈t2，且滿足T1+T2=t1+t2。寄存器配平后的圖8結(jié)構(gòu)中Fmax≈1/t1>1/T1，從而提高了設(shè)計速度。

　　(3)關(guān)鍵路徑法

　　關(guān)鍵路徑是指設(shè)計中從輸入到輸出經(jīng)過的延時最長的邏輯路徑，優(yōu)化關(guān)鍵路徑是提高設(shè)計工作速度的有效方法。圖9中Td1>Td2，Td1>Td3，關(guān)鍵路徑為延時Td1的模塊，由于從輸入到輸出的延時取決于延時最長路徑，而與其他延時較小的路徑無關(guān)，因此減少Td1則能改善輸入到輸出的總延時。

　　在優(yōu)化設(shè)計過程中關(guān)鍵路徑法可反復(fù)使用，直到不可能減少關(guān)鍵路徑延時為止。許多EDA開發(fā)工具都提供時序分析器可以幫助找到延時最長的關(guān)鍵路徑，以便設(shè)計者改進(jìn)設(shè)計。對于結(jié)構(gòu)固定的設(shè)計，關(guān)鍵路徑法是進(jìn)行速度優(yōu)化的首選方法，可與其他方法配合使用。

　　在FPGA設(shè)計中，面積優(yōu)化實(shí)質(zhì)上就是資源利用優(yōu)化，面積優(yōu)化有多種實(shí)現(xiàn)方法，諸如資源共享、邏輯優(yōu)化、串行化，其中資源共享使用較多，下面舉例說明。

　　在利用FPGA設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)時經(jīng)常遇到同一模塊需要反復(fù)被調(diào)用，例如多位乘法器、快速進(jìn)位加法器等算術(shù)模塊，它們占用芯片資源很多，使系統(tǒng)成本及器件功耗大幅上升，因而使用資源共享技術(shù)能夠顯著優(yōu)化資源。圖10和圖11是資源共享的一個典型實(shí)例，由圖可見使用資源共享技術(shù)節(jié)省了一個多位乘法器，從而達(dá)到減少資源消耗、優(yōu)化面積的目的。

　　最后針對FPGA的設(shè)計實(shí)現(xiàn)提出一些改進(jìn)方案，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)分為編譯規(guī)劃、布局布線(PAR，Place AndRoute)、程序比特流文件生成三個階段，當(dāng)設(shè)計不滿足性能指標(biāo)或不能完全布線時，可進(jìn)行以下改進(jìn)工作：

　　● 使用定時約束(Timing Constraints);

　　● 增大布局布線級別(PAR Effort);

　　● 對關(guān)鍵通路(Critical Paths )的數(shù)字邏輯重新設(shè)計;

　　● 運(yùn)行重布線(Re-entrant Routing);

　　● 運(yùn)行MPPR(Multi-Pass Place Route，多通路布局布線);

　　● 運(yùn)行平面布局(Floorplan)查看布局圖及連通性。

　　下面重點(diǎn)介紹Re-entrant Routing與MPPR，它們都可改進(jìn)布局布線結(jié)果，提高系統(tǒng)性能。其中Re-entrantRouting是指已運(yùn)行過PAR后再次運(yùn)行PAR，但跳過布局過程直接進(jìn)行布線，如圖12所示。MPPR則是根據(jù)不同功耗表(Costtables)來運(yùn)行PAR多次，通過對每一個PAR迭代評分來確定最好路徑并保留，其中評分依據(jù)是未布線的連線個數(shù)、連線延遲與時序約束。

　　結(jié)束語

　　當(dāng)今社會，集成電路產(chǎn)業(yè)已成為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的核心戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，已逐漸演化為設(shè)計、制造、封裝、測試協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，它正進(jìn)入以知識產(chǎn)權(quán)為創(chuàng)新核心的新時期。這標(biāo)志著集成電路產(chǎn)業(yè)的競爭已由技術(shù)競爭、資本競爭進(jìn)入到智力和知識產(chǎn)權(quán)競爭的高級階段。

　　FPGA在集成電路設(shè)計應(yīng)用中占有重要地位，現(xiàn)場可編程性是FPGA最突出的優(yōu)點(diǎn)。用戶通過利用強(qiáng)大的開發(fā)工具，能在最短時間內(nèi)對FPGA內(nèi)部邏輯進(jìn)行反復(fù)設(shè)計及修改，直至滿意為止，這大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期，提高了最終產(chǎn)品性能。因而FPGA以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢在電子設(shè)計領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)發(fā)展及工藝進(jìn)步，作為重中之重的集成電路設(shè)計業(yè)必將遇到更大的挑戰(zhàn)及發(fā)展機(jī)遇。